種植屋面變形縫構造防水措施優化研究
——以北京地鐵環球影城站為例

劉魁剛，鄭莉莉，葉新豐，馮 鑫，范麗萍

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068；2.城市軌道交通全自動運行系統與安全監控北京市重點實驗室，北京 100068；3.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082)

引言

當前城市設計主張開放空間，建設中更加重視園林綠地的發展，屋面綠化將綠地還給城市的理念已廣泛應用在各類建筑設計中，在海綿城市建設和城市“雙修”工作中都占有比較重要的地位。種植屋面技術[1-2]可提高城市綠化覆蓋，吸附塵埃減少噪聲，有效改善了環境質量，同時也減少城市熱島效應，節約了建筑能源消耗；但在國內種植屋面推廣過程中，也凸現出一些客觀問題。例如，很多人對種植屋面仍然存在疑慮和誤解，如種植屋面材料市場混亂、植物選擇不當、施工管理不規范、建設成本過高、鼓勵政策滯后等，都需要通過研究不斷地加以改進、提高。其中，國內地景式建筑的屋面變形縫普遍存在功能性缺陷，如接縫處的構造破損，在結構收縮變形和動荷載作用下，卷材的耐久性不足，卷材破損或老化，造成開裂滲水；變形縫處的結構梁破壞造成向下或側面滲水，嚴重影響使用，維修困難且費用高[3]。在景觀要求較高的屋面綠化建筑中，尤其是針對采用柔性防水做法的淺埋地下室頂板種植建筑或地景建筑的變形縫處理尤為棘手[4]，對屋面綠化無法跨變形縫設置，變形縫需凸出屋面等特點，使屋面變形縫處的景觀處理成為難點[5]。

關于變形縫的研究近年來一直不斷在取得新的突破，林軍鉦[6]梳理了大型鋼結構的工程特點及重難點，提到鋼結構變形縫的設置與施工質量是結構施工的關鍵步序；劉楊[7]對建筑結構水平變形縫進行改進，通過增設滴水線條及排水管道，通過防排結合的方式有效解決了水平結構變形滲漏問題；薛榮義[8]分析了幾種常見的直立鎖邊金屬屋面變形縫的優缺點及合理的處理措施；陳立洪[9]等介紹了一種新型金屬屋面天溝波紋板變形縫節點，解決了變形縫連續性問題，提高了實用性。

鑒于上述現有構造設計方案和工藝上存在的不足，在環球影城站的屋面變形縫構造設計中優化了變形縫位置，采用“互扣式”的防水密封構造，設置多道防排水措施及“防、排”措施相結合等，以解決上述問題。

1 項目概況

1.1 建筑概述

北京地鐵環球影城站是北京地鐵7號線東延和八通線南延的終點站，主要服務于北京環球主題公園，同時也將成為市區與城市副中心之間的重要軌道聯絡線。

由于車站位于旅游區內，緊鄰影城的城市大道，因此，對車站布局、與周邊景觀協調等方面的要求非常高。通過前期方案征集確定了車站是一座人與自然互動共生的地景建筑，以自然的形態消隱于環境之中，整個車站為地下兩層明挖島式車站，地下二層為站臺層，分別設置7號線東延和八通線南延站臺，地下一層為站廳層，站廳公共區通過南側地道與南側下沉廣場平接。車站屋頂南側與園區景觀道路平接，由南向北逐漸升高，逐漸露出地面，形成主要的入口標志。對由道路進入園區的游客而言，如此大規模屋面將會給其留下深刻印象，因此，屋面景觀效果十分重要，而變形縫作為重要的結構界面接口，其設置應兼顧景觀完整性，保證建筑效果的呈現。圖1為車站總體效果示意。

圖1 車站鳥瞰效果圖

1.2 變形縫設置

車站站廳公共區上方為鋼結構屋面，采用單層網格結構體系，鋼結構屋蓋長200 m，最大寬度78.2 m，總面積為13 000 m2，下部僅設置8根傘狀格構柱，作為主要承托構件。本工程鋼結構屋蓋周邊邊界條件復雜，北側屋蓋鋼結構懸挑，其他三側均與主體結構關系密切，如圖2所示。考慮到超長結構的溫度效應和地震效應，將鋼結構屋蓋與主體混凝土結構脫開，采用滑動支座與混凝土相連，因此，形成了東西南三側將近400 m長的屋面變形縫。屋面防水采用柔性卷材防水，混凝土樓撐板僅作為建筑做法的承托構件。車站利用自身北高南低的建筑形體排水，屋面南側設通長排水溝，直接接入市政管網。南側變形縫位于排水路徑上，對防排水要求極高。

屋面分為種植區域及玻璃屋面采光區域，種植區屋面設置混凝土樓撐板，鋼結構屋頂綠化與周邊綠化均采用草坪形式，景觀的統一性要求高，圖2所示即為變形縫位置區域。

圖2 屋面種植區變形縫分布示意

2 現有變形縫構造方案分析

環球影城站為地下車站，建筑設計使用年限為100年，屋面防水等級為一級，應采用3道以上防水措施，才能滿足防水要求。目前，普遍實施的方案通常是現有構造圖集，多為明確的屋面變形縫做法或地下室變形縫做法[10]，針對環球影城站這一類型的建筑變形縫，尚沒有明確的做法圖集。在實際工程中，變形縫“十縫九漏”，是造成工程安全隱患的主要因素。這些滲漏情況的出現，與設計的合理性相關，與施工的質量和工藝水平相關，也與日常運營維護情況密不可分。

在本項目中，環球影城站為地景式建筑，其變形縫是介于屋面變形縫和地下室變形縫之間的一種特殊構造，故在針對種植屋面的變形縫構造設計中，首先對屋面變形縫做法和地下室變形縫做法進行技術分析，在保證構造防水的前提下做好景觀的連續性，對已有變形縫[11]進行結合和優化。

2.1 地下室變形縫構造分析

地下室變形縫構造主要采用中埋止水帶構造與其他防水措施相結合的方式[12]，如圖3所示。針對本項目，除了采用1道中埋止水帶策略以外，還在變形縫處設置了留有變形余量的多道柔性卷材[13]，具體構造如圖3所示。

圖3 地下室變形縫構造示意(單位：mm)

(1)地下室變形縫構造應用的優勢

地下室變形縫防水構造做法應用于本工程可以滿足種植屋面的整體外觀效果，使種植層平滑過渡，且附加結構較少，便于施工。多道卷材的設置提高了防滲漏安全系數[14]。

(2)地下室變形縫構造存在的問題

首先，本工程屋面為鋼結構，傘狀柱跨度40 m，屬于大跨度重型種植屋面，對屋面荷載的限制要求很高。為減小屋面荷載，屋面種植部分下方雖采用混凝土樓撐板，但厚度較薄，僅作為建筑做法的承托構件，無法滿足鋼筋混凝土自防水要求，故在止水帶預埋段的位置增加板厚，以滿足預埋要求。因而，樓撐板上的柔性防水層并未與止水帶形成一體的密閉防水層，混凝土在與止水帶的連接構造處仍然存在滲漏隱患。

其次，雖然這種變形縫的構造屬于常規構造，但由于本工程的變形縫沿鋼結構屋蓋的四周，呈“U”形布置，止水帶在位于兩角點時，將承受來自X、Y兩個方向的地震力作用，更加容易產生破壞，且此處的變形量最大也最頻繁，止水帶易產生疲勞破壞。

再次，止水帶破壞后維護較為困難，需將兩側混凝土整體破壞，才能進行更換，所以對環球影城站的正常運營影響較大。

2.2 屋面變形縫構造分析

屋面的變形縫構造多采用高出面層的迎天側縫與金屬扣板相結合的處理形式[15]，如圖4所示。

圖4 屋面變形縫圖集做法

(1)屋面變形縫構造應用的優勢

屋面變形縫防水構造做法將變形縫設置于屋面高點，防水和防滲漏技術的可靠性較高[16]。且屋面防水多采用柔性防水形式，與本工程有較好的匹配性。且該做法在屋面變形縫構造中已有較多的成熟優化措施[17]，在本工程可以加以利用。例如，將變形縫由迎天縫處理為側縫的措施，可有效的降低變形縫的滲漏面，如圖5所示。

圖5 變形縫的優化示意

(2)屋面變形縫構造應用存在的問題

首先，由于本工程南側變形縫位于排水溝前側，恰恰位于排水的低點，如果按照此標準構造，會導致雨水在此低洼處匯聚，會阻斷整個屋面的排水，增大滲漏風險。

其次，這種變形縫構造高出了種植層，變形縫連同兩側的緩沖帶阻斷了屋面景觀的連續性，無法實現種植草坪的整體視覺效果。

綜上所述，已有的變形縫做法在本工程的應用中各有其可取之處，但也均存在著各自的局限性，并不能完全適用于本工程。因此，對已有變形縫進行結合和優化，是解決環球影城站變形縫問題的最佳選擇。

3 種植屋面變形縫構造優化

3.1 優化方案

通過對已有地下室變形縫構造與屋面變形縫構造的梳理和研究，針對環球影城站變形縫超長、位置位于低點、雙向變形等特點，需將已有的變形縫構造進行優化和再創造，采用3種方案進行比選。

在結構雙向變形的條件下，防止卵石擠壓防水層，必須在卵石與披水板間留出空隙。方案1(圖6)，將屋面變形縫構造優化為側縫，并在一側設置緩沖溝，上設蓋板承擔上部土體的壓力，兩端分別搭設在屋頂邊緣及緩沖溝邊緣擋土墻上，該做法使變形縫外部形成緩沖空腔，擋墻底部設置過水洞，可有效導流滲漏水，但蓋板需要一定的厚度并承擔上部土體壓力，同時需防止在往復變形期間不墜落入緩沖溝內，容易破壞掉防水保護層；方案2(圖7)，將變形縫調整為平面接縫，取消變形縫上方的種植層，在其上設置排水溝，可以保證變形縫自由變形，但不利于屋頂積水的外泄，同時在長期往復大變形條件下，變形縫部位被破壞的可能性極大，如接縫加強構造出現破損，該處將成為大量降水的下泄出口，造成后期滲漏風險；方案3(圖8)，緩沖溝調整為排水溝，在其臨近屋頂的一側，單獨設置緩沖空間。

圖6 變形縫構造優化方案1

圖7 變形縫構造優化方案2

圖8 變形縫構造優化方案3

通過對比，方案3將屋面變形縫形式優化為側縫，并結合保護墻及隔離帶等做法形成整套防水系統，采用多道防排水結合的處理方法，最大程度減小了該節點處的滲漏水的風險，同時對景觀影響最小，因此，本項目采用該形式作為實施方案。

3.2 具體策略

(1)結合屋面變形縫構造，優化變形縫位置

本工程優化后的變形縫整體依托于屋面變形縫的構造，并將高出屋面的迎天縫優化為地下側縫形式，附加的防水措施皆設置在建筑外部，這一措施可以減小頂部設縫時帶來的開裂風險，不僅減小了滲漏風險，而且使整個變形縫位于種植面下方，實現了景觀的連續性呈現。

(2)結合地下室變形縫構造，形成一種“互扣式”的防水密封構造[18]

優化后的變形縫在側縫外設置保護墻，對變形縫側縫起到保護作用。結合地下室變形縫構造中的卷材附加保護構造，通過在保護墻和樓撐板間的伸縮縫預留防水卷材伸縮量，使保護墻與鋼結構屋蓋防水封閉，形成一種“互扣式”構造，將水隔絕在空腔之外，同時給屋蓋提供一定位移空間。

(3)多道防排水措施，增加變形縫的安全性

優化后的變形縫在保護墻與結構擋墻、樓撐板三者之間形成空腔，保護墻上設置的空腔導流溢水管直接連通排水溝，使得伸縮縫滲漏時，也無水在空腔內滯留。

空腔內預留緩存高度，滿足≮500 mm的地下室窗洞口泛水高度，可有效地起到擋水和防倒灌作用；在變形縫側縫處則采用柔性材料封堵，以減小潮濕水汽在變形縫處的侵入，增設1道金屬披水板保護措施，以避免伸縮縫滲漏時滲漏水對變形縫的直接沖刷，并附加防水卷材和密封材料封堵。

(4)“防、排”措施相結合，增加設計合理性

在外排水方面，優化后的變形縫側排水溝根據盲溝排水原理，將暗埋緩沖帶與屋面級配過濾層(土工布、豆石、礫石、卵石)結合，加速屋面排水，減小種植土的滯水作用，使屋面無積水。

在室內預防方面，在滑動支座與鋼筋混凝土結構擋墻之間，增設金屬導流槽和室內排水管，作為解決變形縫內側的屋蓋冷橋處冷凝水和外墻防水構造意外滲漏情況下的補救措施，將“防、排”措施相結合。

(5)加強日常運營維護，防患于未然

針對本項目的變形縫構造特點，屋面種植體系采用生態袋作為種植基層，其特點如下。

有效的保持水土，使種植基質始終保存于生態袋內，并且在灌溉或降雨時，能充分過濾掉種植基質中的碎石和泥沙，從而減少排水溝的清掏頻率。

易于挪移，在日常維護時，可將種植帶連同其表面的種植物一起搬運至排水溝一側，即可進行排水溝的清理維護，便于操作。同時，日常運營維護中，應定期為排水溝進行清掏，避免淤泥淤積造成的排水不暢。

4 結語

輕型曲面鋼結構種植屋面工程在國內應用實例較少，尤其在北方嚴寒和寒冷地區更為稀少，通過對該類屋面特點的分析，針對防水層采取了多道設防、功能明確的方案，針對變形縫采取了分類加強、緩排結合的方案，將變形縫高出面層設置方式優化為地下側縫形式，防水措施皆在建筑外部考慮，同時采用“互扣式”構造代替鋁合金蓋板，結合保護墻及隔離帶等做法形成整套防水系統，縫內設置制品型橡膠止水帶及引流槽，達到防排結合。本構造于環球影城車站中實施，并經歷多次雨雪考驗，未見導流槽出現引排水，實踐證明該做法已達到預期效果。

通過這種“互扣式”屋蓋防水構造，可解決現有技術中因變形縫設置不合理造成的景觀不連續，以及傳統變形縫滲水漏水、可靠性不高的技術問題，補充了規范中種植屋面地下結構變形縫做法的內容，形成了一種易于操作、可靠性高的變形縫做法，可廣泛適用于類似重點工程。